Электропривод с комбинированным частотно-параметрическим управлением Советский патент 1991 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемому электроприводу на основе асинхронного двигателя и непосредственного преобразователя частоты, и может быть использовано в механизмах, где необходимо регулирование частоты вращения в широком диапазоне с моментом обоих знаков на валу двигателя с ограничением ускорения и рывка, например в лифтах, шахтных подъемных машинах.

Целью изобретения является повышение долговечности и надежности путем обеспечения безударной работы в четырех квадрантах механических характеристик.

На фиг. 1 представлена функциональная схема электропривода с комбинированным частотно-параметрическим управлением; на фиг. 2 - механические характеристики для различных режимов.

Электропривод с комбинированным частотно-параметрическим управлением содержит асинхронный двигатель 1 (фиг 1), подключенный к непосредственному преобразователю частоты (НПЧ) 2, многоканальную систему 3 импульсно-фазового управления тиристорами преобразователя частоты 2, многоканальный блок 4 сравнения и синхронизации, каналы 5, 6 регулирования частоты и амплитуды соответственно

О

00

о о ю о

выходного напряжения преобразователя частоты 2, командоаппарат 7, задатчик 8 интенсивности разгона и торможения асинхронного двигателя 1, задатчик 9 управляющих напряжений низкой частоты, датчик 10 частоты вращения двигателя, блок 11 выбора режимов работы, трехканальный коммутатор 12 сигналов управления, узел 13 блокировки каналов системы 3 импульсно- фазового управления, узел 14 формирования начальных условий, первый одноканальный коммутатор 15, первый компаратор 16. Причем каждый канал системы импульсно-фазового управления выполнен с элементом И, первые входы которых подключены к выходам соответствующих каналов многоканального блока 4 сравнения и синхронизации,вторые входы элементов И первого, четвертого, восьмого и одиннадцатого каналов системы 3 импульсно-фазового управления объединены с первым выходом узла 13 блокировки, вторые входы элементов И третьего, шестого, девятого, двенадцатого , тринадцатого, четырнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого каналов системы 3 импульсно-фазового управления объединены и соединены с третьим выходом узла 13 блокировки, выход командоаппарата 7 соединен с первым входом задатчика 9 управляющих напряжений низкой частоты, первым входом узла 13 блокировки и с входом задатчика 8 интенсивности разгона и торможения двигателя, выход которого соединен с первым входом канала 5 регулирования частоты, первым входом канала 6 регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя и с первым входом первого компаратора 16, второй вход канала 5 регулирования частоты объединен с вторым входом канала 6 регулирования амплитуды, первым входом блока 11 выбора режимов и вторым входом первого компаратора 16 и соединен с выходом датчика 10 частоты вращения двигателя 1. Выходы задатчика 9 управляющих напряжений низкой частоты соединены с первыми входами трехканального коммутатора 4, вторые входы которого объединены и соединены с вторым входом задатчика 9 управляющих напряжений. Управляющие входы трехканального коммутатора 14 объединены с вторым входом узла 13 блокировки и соединены с первым входом блока 11 выбора режимов работы, выходы трехканального коммутатора 12 соединены с входами блока 4 сравнения и синхронизации системы 3 импульсно-фазового управления. Три входа узла 14 формирования начальных условий подключены к трем силовым выходам преобразователя частоты 2, а выход узла 14

формирования начальных условий подключен к первому входу первого одноканально- го коммутатора 15, второй вход которого объединен с выходом канала 5 регулирования частоты выходного напряжения преобразователя, а выход первого одноканального коммутатора 15 подключен к третьему входу канала 5 регулирования частоты выходного напряжения преобразо0 вателя. Выход первого компаратора 16 соединен с вторым входом блока 11 выбора режимов. В электропривод с комбинированным частотно-параметрическим управлением введены блок ограничения 17, элемент И

5 18 и второй одноканальный коммутатор 19. Блок 11 выбора режимов работы выполнен с компаратором 20, элементом НЕ 21, элементом И-НЕ 22. Первый выход компаратора 20 предназначен для подключения

0 опорного напряжения, второй вход компаратора 20 и вход элемента НЕ 21 образуют соответственно первый и второй вход блока 11 выбора режимов работы. Входы элемента И-НЕ 22 подключены соответственно к

5 выходам компаратора 20 и элемента НЕ 21, а его выход и выход компаратора 20 образуют соответственно первый основной и второй дополнительный выходы блока 11 выбора режимов работы. Канал б регулиро0 вания амплитуды выходного напряжения преобразователя содержит пять элементов суммирования 23-27, два неинвертирующих усилителя 28, 29, инвертирующий усилитель 30 и усилитель абсолютного

5 значения сигнала 31. Вычитающий и суммирующий входы первого элемента суммирования 23 образуют соответственно второй и первый входы канала 6 регулирования амплитуды. Вход первого неинвертирующего уси0 лителя 28 образуют третий вход канала 6 регулирования амплитуды. Выход первого элемента суммирования 23 соединен с входом усилителя абсолютного значения сигнала 31 и с входом инвертирующего усилителя

5 30. Выход усилителя абсолютного значения сигнала 31 соединен с первым входом третьего элемента суммирования 25. Выход первого неинвертирующего усилителя 28 подключен к объединенным первым входам

0 второго и пятого элемента суммирования 24, 27. Второй вход второго элемента суммирования 24 предназначен для подачи по- стоянного напряжения, а выход его подключен к объединенным вторым входам

5 третьего и четвертого элементов суммирования 25, 26. Выход инвертирующего усилителя 30 подключен к первому входу четвертого элемента суммирования-вычитания 26, третий вход которого подключен к выходу второго неинвертирующего усилителя 29. Второй вход пятого элемента суммирования 27 предназначен для подачи постоянного напряжения, а выход его соединен с входом второго неинвертирующего усилителя 29. Выходы третьего и четвертого элементов суммирования 25, 26 образуют соответственно первый основной и второй дополнительный выходы канала 6 регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя.

Вход блока 17 ограничения сигнала соединен с выходом канала 5 регулирования частоты, а его выход - с третьим входом задатчика 9 управляющих напряжений и третьим входом канала 6 регулирования амплитуды, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам второго одноканального коммутатора 19, соединенного выходом с вторым входом задатчика 9 управляющих напряжений, Входы элемента И 18 соединены соответственно с выходами первого компаратора 16 и вторым выходом блока 11 выбора режимов работы. Выход элемента И 18 соединен с управляющим входом второго одноканального коммутатора 19. Преобразователь частоты 2 выполнен на тиристорах 2.1-2.18. Система 3 импульсно- фазового управления выполнена о каналами 3.1-3.18.

На фиг. 2 обозначено: 32 - естественная механическая характеристика двигателя (в относительных единицах); 33 - механическая характеристика двигателя в режиме частотного управления при частоте 25 Гц (зона 1); 34 - механическая характеристика двигателя в промежуточной зоне 2; 35, 36, 37 - механические характеристики двигателя при параметрическом управлении на фиксированной выходной частоте НПЧ, равной 30 Гц, и тормозном моменте на валу (зона III); 38, 39 - механические характеристики двигателя при параметрическом (фазовом) управлении,

В предлагаемом электроприводе обеспечивается управляемая работа двигателя в диапазоне частот вращения от 0,5 до 1,0 номинального значения при тормозном моменте на валу. При этом анализируются сигнал зоны работы (частота вращения меньше или больше 0,5 от номинального значения), сигнал знака момента и определяется соответствующий закон управления двигателем. После достижения двигателем половины номинальной частоты вращения при двигательном моменте на валу производят перестройку системы управления тиристорами НПЧ таким образом, что оставшиеся в работе шесть тиристоров (по два в каждой фазе, подключенные встречно-параллельно к фазам А, В, С сети соответственно) образуют симметричную схему фазового управления, обеспечивая разгон двигателя на полную частоту вращения 50 Гц. Однако еспи мо- 5 мент на валу двигателя тормозной, то переключения в режим фазового управления не происходит и разгон двигателя выше 0,5 - 0,6 от номинальной частоты вращения не осуществится, т.к. выходная частота преоб0 разователя не превышает значения 25-30 Гц. Кроме того, в начале замедления с номинальной частоты вращения в случае тормозного момента на валу происходит переключение в режим частотного управления

5 при частоте вращения двигателя, равной 1,0 номинальной. Выходные частота и напряжения НПЧ при этом устанавливаются произвольными, что приводит к скачкообразным изменениям момента дви0 гателя, колебаниям скорости, рывкам и ударам в передачах. Для обеспечения управляемой работы двигателя в четырех квадрантах механических характеристик выделяют еще один режим работы злектро5 привода (помимо частотного и фазового управления): режим параметрического управления двигателем на фиксированной выходной частоте НПЧ, равной 30 Гц. Характеристики 34-37 на фиг. 2 относятся к этому

0 режиму. Как видно, они аналогичны харак теристикам 7, 8 режима фазового управления, но относятся к генераторному режиму и получены на частоте 30 Гц, а не 50 Гц. Таким .образом, при работе привода в режи5 ме преобразователь частоты - асинхронный двигатель (ПЧ - АД) необходимы два принципа управления: частотное, когда изменяются и выходная частота преобразователя и амплитуда его напряжения (зона 1, фиг. 2),

0 и параметрическое (в случае тормозного момента на валу), когда изменяется только напряжение при неизменной частоте, равной 30 Гц (максимально возможная для НПЧ). Такое управление относится к зоне III

5 фиг. 2.

Осуществление описанных принципов управления требует решения нескольких задач:

-идентификации режима работы элект- 0 ропривода (частотное управление, фазовое

управление или параметрическое на частоте 30 Гц);

-осуществление закона управления параметрическим режимом;

5- согласование законов управления

смежными режимами,

Электропривод с комбинированным частотно-параметрическим управлением работает следующим образом. Пока частота вращения двигателя меньше 0,5 номинальной выходной сигнал компаратора 20 блока выбора режимов 11 равен нулю, при этом блоки 12, 13 обеспечивают работу электропривода в режиме ПЧ-АД так же, как в известном, Вместе с тем на выходе элемента И 18 также будет уровень нуля, что удерживает коммутатор 19 в указанном на фиг. 1 положении, При этом на выходе канала 6 формируется сигнал в соответствии с выражением

U6i Uo + KfUf+ IMUuj-UJI О) где Uo начальное значение напряжения, необходимое для компенсации падения напряжения в обмотках двигателя; Kf - коэффициент пропорциональности усилителя 28; Uf - сигнал задания выходной частоты НПЧ; Ki - коэффициент стабилизации магнитного потока двигателя; U, сигналы заданной и действительной частоты вращения двигателя. Закон (1) является типовым для частотного управления При достижении двигателем в процессе разгона частоты вращения, равной 0,5 номинальной, на выходе компаратора 20 блока 11 устанавливается сигнал логической единицы. Если при этом момент на валу двигателя тормозной, то на выходе компаратора 16 также будет сигнал логической единицы. При этом привод остается в режиме ПЧ-АД так же, как в известном, и на выходе элемента И 18 появляется сигнал логической единицы, что вызывает переключение коммутатора 19 в нижнее положение. Выходной сигнал канала 6 при этом формируется в соответствии с выражением

U62 Uo + KfUf - MUf - Uo.5f) - -К2(иыг IU(2)

где Uo,5f напряжение, пропорциональное половинной частоте питающего напряжения двигателя, т.е. 25 Гц; Кф, К2 - коэффициенты пропорциональности усилителей 29, 30, В момент переключения, т.е. при частоте вращения, равной половине номинальной, Uf Uo 5f, выражение (2) принимает вид U62 - Uo + KfUf - К2( Ub)(3)

т.к. при тормозном моменте Uw 0, то видно из сопоставления (1) и (3), что Uei Ue2, и напряжение, подводимое к двигателю в момент переключения, практически не изменяется, т.е. переключение не сопровождается рывком момента. При дальнейшем разгоне блок 17 ограничивает значение Uf величиной, пропорциональной частоте 30 Гц, т.е. максимально допустимому значению Uf Uo,6f.

Если теперь подобрать величину

КФ Kf

Uo,6f

U o.6f - U o.5f

6Kf

то очевидно, что при наступлении ограничения выходной частоты на уровне 30 Гц, т.е. при Uf Uo.ef выполняется равенстко KfUf (Uf - Uo,5f) и выражение (2) принимает

вид

U62 Uo - K2(UW3- Uco)(4)

Учитывая, что в тормозном режиме 0, выражение (4) является типовым законом параметрического управления.

Зона частот вращения от 0,5 номинальной до 0,6 номинальной является переходной (зона II, фиг. 2). В этой зоне осуществляется плавный переход от закона управления (1) (частотное с поддержанием

5 номинального потока в двигателе) к закону (4) (параметрического управление на частоте 30 Гц). В промежутке (характеристика 34, фиг. 2) осуществляется частотное управление с постепенным ослаблением потока в

0 машине, При замедлении с номинальной частоты вращения процесс осуществляется в обратном порядке.

Работа электропривода с двигательным моментом на валу аналогична известному.

5 Таким образом, в электроприводе обеспечивается безударная работа в четырех квадрантах механических характеристик, что позволяет повысить долговечность и надежность в работе.

0

Формула изобретения

Электропривод с комбинированным частотно-параметрическим управлением, со5 держащий асинхронный двигатель, подключенный к непосредственному преобразователю частоты, многоканальную систему импульсно-фазового управления тиристорами непосредственного преобра0 зователя частоты, многоканальный блок сравнения и синхронизации, канал регулирования частоты и канал регулирования амплитуды выходного напряжения непосредственного преобразователя часто5 ты, командоаппарат, задатчик интенсивности разгона и торможения асинхронного двигателя, задатчик управляющих напряжений низкой частоты, датчик частоты вращения асинхронного двигателя, блок выбора

0 режимов работы, трехканальный коммутатор сигналов управления, узел блокировки каналов системы импульсно-фазового управления, узел формирования начальных условий, первый одноканальный коммута5 тор, первый компаратор, причем каждый канал системы импульсно-фазового управления выполнен с элементом И, первые входы которых подключены к выходам соответствующих каналов многоканального блока сравнения и синхронизации, вторые

входы элементов И первого, четвертого, восьмого и одиннадцатого каналов объединены и соединены с первым выходом названного узла блокировки, вторые входы элементов И второго, пятого, седьмого, десятого каналов объединены и соединены с вторым выходом узла блокировки, вторые входы элементов И третьего, шестого, девятого, двенадцатого, тринадцатого, четырнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого каналов системы импульсно-фазового управления объединены и соединены с третьим выходом узла блокировки, выход командоаппарата соединен с первым входом задатчика управляющих напряжений низкой частоты, первым входом узла блокировки и с входом задатчика интенсивности разгона и торможения асинхронного двигателя, выход которого соединен с первым входом канала регулирования частоты, первый входом канала регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты и с первым входом первого компаратора, второй вход канала регулирования частоты объединен с вторым входом канала регулирования амплитуды, первым входом блока выбора режимов работы и вторым входом первого компаратора и соединен с выходом датчика частоты вращения асинхронного двигателя, выходы задатчика управляющих напряжений низкой частоты соединены с первыми входами трехканального коммутатора, вторые входы которого объединены и соедине- ны с вторым входом задатчика управляющих напряжений низкой частоты, управляющие входы трехканального и первого одноканального коммутаторов объединены с вторым входом узла блокировки и соединены с первым входом блока выбора режимов работы, выходы трехканального коммутатора соединены с соответствующими входами многоканального блока сравнения и синхронизации, три входа узла формирования начальных условий подключены к трем силовым выходам непосредственного преобразователя частоты, а выход узла формирования начальных условий подключен к первому входу первого одноканального коммутатора, второй вход которого объединен с выходами канала регулирования частоты выходного напряжения преобразователя, а выход первого одноканального коммутатора подключен к третьему входу канала регулирования частоты выходного напряжения преобразователя, выход первого одноканального компаратора соединен с вторым входом блока выбора режимов работы, отличающийся тем, что, с целью повышения

надежности путем обеспечения безударной работы в четырех квадратах механических характеристик, введены блок ограничения сигнала, элемент И, второй одноканальный 5 коммутатор, блок выбора режимов работы выполнен с компаратором, элементами НЕ и И-НЕ, первый вход компаратора предназначен для подключения опорного напряжения, второй вход компаратора и вход 0 элемента НЕ образуют соответственно первый и второй входы блока выбора режимов работы, входы элемента И-НЕ подключены соответственно к выходам компаратора и элемента НЕ, а его выход и выход компара5 тора образуют соответственно первый основной и второй дополнительный выходы блока выбора режимов работы, канал регулирования амплитуды выходного напряжения преобразовэтеля частоты выполнен с

0 пятью элементами суммирования, двумя неинвертирующими усилителями, инвертирующим усилителем, усилителем абсолютного значения сигнала, вычитающий и суммирующий входы первого элемента суммирова5 ния образуют соответственно второй и первый входы канала регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты, вход первого неинвертирующего усилителя образует тре0 тий дополнительный вход канала регулирования амплитуды выходного напряжения, выход первого элемента суммирования соединен со входом усилителя абсолютного значения сигнала и со входом инвертирую5 щего усилителя, выход усилителя абсолютного значения сигнала соединен с первым входом третьего элемента суммирования, выход первого неинвертирующего усилителя подключен к объединенным первым вхо0 дам второго и пятого элемента суммирования, второй вход второго элемента суммирования предназначен для подключения постоянного напряжения, а выход его подключен к объединенным вторым вхо5 дам третьего и четвертого элементов суммирования, выход инвертирующего усилителя подключен к первому входу четвертого элемента суммирования, третий вход которого подключен к выходу второго неинвертирую0 щего усилителя, второй вход пятого элемента суммирования предназначен для подключения к источнику напряжения, а выход его соединен со входом второго неинвертирующего усилителя, выходы третьего

5 и четвертого элементов суммирования образуют соответственно первый основной и второй дополнительный выходы канала регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты, вход блока ограничения сигнала соединен с выходом

канала регулировани частоты, а его выход - с третьим входом задатчика управляющих напряжений низкой частоты и третьим входом канала регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам второго одноканального

коммутатора, соединенного выходом со вторым входом задатчика управляющих напряжений низкой частоты, входы элемента И соединены соответственно с выходами первого компаратора и вторым выходом блока выбора режимов работы, а выход элемента И соединен с управляющим входом второго одноканального коммутатора.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемому электроприводу на основе асинхронного двигателя и непосредственного преобразователя частоты, и может быть использовано в механизмах, где необходимо регулирование частоты вращения в широком диапазоне с моментом обоих знаков на валу двигателя с ограничением ускорения и рывка, например в лифтах, шахтных подъемных машинах Целью изобретения является повышение долговечности и надежности путем обеспечения безударной работы в четырех квадратных механических характеристик. Для этого в электропривод с комбинированным частотно-параметрическим управлением введены блок ограничения 17, элемент И 18. коммутатор 19. Блок 11 выбора режимов работы асинхронного двигателя 1 и канал 6 регулирования амплитуды выходного напряжения выполнены с дополнительными выходами. В электроприводе осуществляется управляемая работа двигателя 1 в диапазоне частот вращения от 0,5 до 1,0 номинального значения при тормозном моменте на валу. Со- четание законов частотного и параметрического управлений в зависимости от частоты вращения и знака момента обеспечивает безударную работу в четырех квадрантах механических характеристик. 2 ил. -г Ј

-2

; -мсю

Фие. I